DE112006001086T5

DE112006001086T5 - Piezoelektrische Motorantriebsschaltung und -verfahren

Info

Publication number: DE112006001086T5
Application number: DE112006001086T
Authority: DE
Inventors: Thomas Mazz; Dmitriy Yavid; Frederick F. Wood
Original assignee: Symbol Technologies LLC
Current assignee: Microvision Inc
Priority date: 2005-04-29
Filing date: 2006-04-20
Publication date: 2008-03-20
Also published as: WO2006137968A3; US7227294B2; JP4931254B2; WO2006137968A2; US20060244339A1; CN101194377A; JP2008539691A

Abstract

Eine Anordnung zum elektrischen Antreiben eines piezoelektrischen Wandlers, um einen Spiegel mit einer mechanischen Resonanzfrequenz zu oszillieren, weist Folgendes auf:
a) einen Induktor, der elektrisch mit dem Wandler verbunden ist, um eine Resonanzschaltung mit einer elektrischen Resonanzfrequenz zu bilden, die größer als die mechanische Resonanzfrequenz ist, und zwar über Variationen in der Temperatur, der Alterung und der Toleranzen des Wandlers und des Induktors hinweg;
b) Mittel zum Antreiben der Resonanzschaltung mit einem elektrischen Antriebssignal mit einer Antriebsfrequenz, die sich von der elektrischen Resonanzfrequenz um einen Parameter unterscheidet; und
c) Mittel zum Anpassen des Parameters, um zu bewirken, dass die Antriebsfrequenz der mechanischen Resonanzfrequenz entspricht, um Variationen in der elektrischen Resonanzfrequenz zu kompensieren.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf eine Anordnung für und ein Verfahren zum Antreiben eines piezoelektrischen Motors, um einen Spiegel zu oszillieren, insbesondere zur Verwendung in einem Farbbildprojektionssystem, das betriebsbereit ist, um ein zweidimensionales Bild in Farbe zu projizieren, während ein geringer Leistungsverbrauch, eine hohe Auflösung, eine kompakte Minitaturgröße, ein leiser Betrieb und eine minimale Vibration aufrechterhalten werden.
Es ist im Allgemeinen bekannt, ein zweidimensionales Bild auf einen Bildschirm. zu projizieren und zwar basierend auf einem Paar von Scanspiegeln, die in zueinander senkrechten Richtungen oszillieren, um einen Laserstrahl über ein Rastermuster hinweg zu scannen. Die bekannten Bildprojektionssysteme projizieren jedoch das Bild mit begrenzter Auflösung, typischerweise mit weniger als einem Viertel der VGA-Qualität (VGA = Video-Graphics-Array) von 640×480 Pixeln, und nicht in echten Farben (true color).
Es ist ebenfalls bekannt, einen der Scanspiegel durch Trägheitskräfte zu oszillieren, wie beispielsweise durch die U.S. Patentanmeldung Serien-Nr. 10/975,888 , eingereicht am 27. Oktober 2004 und U.S. Patentanmeldung Serien-Nr. 10/387,878 , eingereicht am 13. März 2003, die beide dem Anmelderin der vorliegenden Anmeldung zugewiesen sind und beide hierin durch Bezugnahme enthalten sind, gelehrt wird, und zwar durch Verbinden eines piezoelektrischen Motors, der ein Paar von piezoelektrischen Wandlern aufweist, mit einem Rahmen an gegenüberliegenden Seiten einer Anlenkung, um welche der Scanspiegel frei oszillieren kann. Ein periodisches Antriebssignal wird an beide Wandler angelegt, um zu bewirken, dass sich ein Wandler ausdehnt und gegen eine Seite des Rahmens drückt, während der andere Wandler simultan veranlasst wird, sich zusammenzuziehen und an der gegenüberliegenden Seite des Rahmens zu ziehen, und umgekehrt. Die Schub-Zug-Kräfte werden abwechselnd durch den Rahmen übertragen, um zu bewirken, dass der Scanspiegel um die Anlenkung mit einer mechanischen Eigen- bzw. Resonanzfrequenz oszilliert. Ein Lichtstrahl, der auf den Spiegel auftrifft, wird als eine oder mehrere Scanlinien im Raum hinweggestrichen.
Eine Antriebsschaltung zur Erzeugung des periodischen Antriebssignals erfordert typischerweise eine relativ hohe Wechselspannung, z.B. 50 Volt in der Spitze, mit einer Antriebs- oder Grundfrequenz, die präzise mit der mechanischen Resonanzfrequenz des Motors abgestimmt ist. Eine bekannte Antriebsschaltung verwendet eine hohe Gleichspannung, z.B. 50 Volt, und gibt dann diese Spannung durch eine lineare Steuerung weiter. Diese Antriebsschaltung erleidet jedoch relativ hohe Leistungsverluste und ist ineffizient.
Andere bekannte Antriebsschaltungen beinhalten den Einsatz von Energiewiederverwendung. Beispielsweise besitzt der piezoelektrische Wandler eine inhärente Kapazität, und ein Induktor mit einer Induktanz wird mit dem Wandler verbunden, um eine Resonanzschaltung zu bilden. Eine niedrige Antriebsgleichspannung, z.B. 5 Volt, wird bei der elektrischen Resonanzfrequenz geschaltet, die durch die Resonanzschaltung erzeugt wird, und wird verwendet um einen Spannungsanstieg bei der Antriebsschaltung in der Größenordnung von 50 Volt Wechselspannung zu erzeugen. Die Antriebsfrequenz muss daher mit der elektrischen Resonanzfrequenz übereinstimmen, um die Antriebsspannungsanstiege in der Größenordnung einer Verzehnfachung zu erreichen.
Die Erfahrung hat jedoch gezeigt, dass derartige Energiewiederwendungsantriebsschaltungen in der Praxis nicht zufriedenstellend sind. Die Kapazität des piezoelektrischen Wandlers variiert von Einheit zu Einheit, und ebenfalls mit der Temperatur und dem Alter. Die Induktanz des Induktors variiert ebenfalls von Einheit zu Einheit, und ebenfalls mit der Temperatur und dem Alter. Beispielhaft für eine Temperaturveränderung von 40°C kann sich die Kapazität um 20% verändern; die Induktanz kann sich um 5% verändern und die elektrische Resonanzfrequenz kann sich um 12% verändern.
Um einer solchen unerwünschten Variation in der elektrischen Resonanzfrequenz entgegenzutreten, sind im Stand der Technik anspruchsvolle, komplexe Kompensationsschaltungen vorgeschlagen worden, um solche Veränderungen der Kapazität und der Induktanz zu kompensieren. Diese Kompensationsschaltung verwen det zusätzliche Kondensatoren, zusätzliche Induktoren, Schalter und logische Steuerungen, welche alle sowohl die Kosten als auch die Größe der Gesamtanordnung erhöhen, ebenso wie zusätzliche Komponenten, deren Impedanzen ebenfalls von Toleranzen, Temperatur und Alterung abhängen.
Noch weitere, bekannte Antriebsschaltungen verwenden manuelle Anpassungen, um die elektrische Resonanzfrequenz einzustellen. Typischerweise wird ein mechanisch einstellbarer Induktor angepasst. Diese Antriebsschaltung ist jedoch nicht zufriedenstellend, da eine einzelne manuelle Anpassung nicht einen gesamten Bereich von Toleranz-, Temperatur- und Alterungsvariationen adäquat kompensieren kann.
Demgemäß ist es ein allgemeines Ziel dieser Erfindung, eine Anordnung für und ein Verfahren zum elektrischen Antreiben eines piezoelektrischen Motors vorzusehen, insbesondere zur Verwendung beim Oszillieren eines Spiegels in einer Bildprojektionsanordnung, die ein scharfes und klares, zweidimensionales Farbbild über einen ausgedehnten Bereich von Distanzen weg von der Anordnung projiziert.
Ein weiteres Ziel dieser Erfindung besteht darin, den piezoelektrischen Motor anzutreiben, um Temperatur-, Toleranz- und Alterungsvariationen zu kompensieren.
Noch ein weiteres Ziel dieser Erfindung ist es, die elektrische Resonanzfrequenz von der mechanischen Resonanzfrequenz zu entkoppeln, wodurch es ermöglicht wird, die elektrische Resonanzfrequenz über einen breiten Toleranzbereich hinweg zu variieren.
Noch ein weiteres Ziel dieser Erfindung ist es, die Anforderung des Standes der Technik zu beseitigen, zusätzliche Impedanzen zu nutzen, um für Variationen in der Temperatur, den Toleranzen und der Alterung Anpassungen vorzunehmen.
Ein zusätzliches Ziel ist es, eine miniaturisierte, kompakte, leichtgewichtige und kostengünstige Antriebsschaltung zum Antreiben eines piezoelektrischen Motors in einer tragbaren Farbbildprojektionsanordnung, die nützlich in vielen Instrumenten unterschiedlicher Formfaktoren ist, vorzusehen.
In Übereinstimmung mit diesen Zielen und anderen, die im Folgenden offensichtlich werden, besteht ein Merkmal dieser Erfindung kurz gesagt, in einer Anordnung für und einem Verfahren zum elektrischen Antreiben eines piezoelektrischen Wandlers, um mechanisch einen Spiegel mit einer mechanischen Resonanzfrequenz zu oszillieren. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel besteht der Spiegel aus einem Paar von Scanspiegeln, die betriebsbereit sind, um einen Laserstrahl entlang im Allgemeinen zueinander senkrechter Richtungen hinwegzustreichen, vorzugsweise mit unterschiedlichen Scanraten und mit unterschiedlichen Scanwinkeln, um den Strahl weg von der Anordnung zu projizieren.
Gemäß dieser Erfindung ist ein Induktor-, der eine Induktanz besitzt, elektrisch mit dem Wandler verbunden, der eine inhärente Kapazität besitzt, um eine Resonanzschaltung mit einer elektrischen Resonanzfrequenz zu bilden. Wie im Stand der Technik variieren sowohl die Induktanz als auch die Kapazität mit Temperatur, Alterung und in den Toleranzwerten von einem Induktor zum nächsten, und von einem Wandler zum nächsten, wodurch verursacht wird, dass die elektrische Resonanzfrequenz über einen breiten Bereich hinweg, z.B. in der Größenordnung von 12% variiert.
Im Gegensatz zum Stand der Technik wird die elektrische Resonanzfrequenz jedoch von der mechanischen Resonanzfrequenz entkoppelt oder getrennt. Dies wird erreicht, indem die elektrische Resonanzfrequenz größer als die mechanische Resonanzfrequenz gemacht wird. Wenn beispielsweise die mechanische Resonanzfrequenz in der Größenordnung von 30 kHz ist, dann werden die Werte der Induktanz und Kapazität gewählt, um die elektrische Resonanzfrequenz in die Größenordnung von 80 kHz zu bringen. Dieser Unterschied in der Frequenz bleibt gültig über die erwarteten Temperatur-, Alterungs- und Toleranzvariationen hinweg.
Der Wandler wird mit einem Antriebssignal mit einer Antriebsfrequenz angetrieben. Die Resonanzschaltung wird nicht mit der elektrischen Resonanzfrequenz, wie durch den Stand der Technik gelehrt, angetrieben, sondern stattdessen mit der mechanischen Resonanzfrequenz, die wie oben erwähnt, in der Frequenz von der elektrischen Resonanzfrequenz um einen Parameter abweicht. Es ist dieser Parameter der angepasst wird, eher als die Antriebsfrequenz selbst, um die Übereinstimmung zwischen der mechanischen Resonanzfrequenz und der Antriebsfrequenz zu erreichen. Auf diese Weise wird es der elektrischen Resonanzfrequenz ermöglicht über den zuvor erwähnten breiten (12%) Bereich zu variieren, aber die Antriebsfrequenz ist präzise auf die mechanische Resonanzfrequenz abgestimmt. und es wird nur zugelassen, dass sie über einen beschränkten (weniger als 1%) Bereich variiert. Die Antriebsfrequenz, die jetzt präzise auf die mechanische Resonanzfrequenz abgestimmt ist, wird verwendet, um den Spiegel mit der hohen Präzision und hohen Scanrate zu oszillieren, die für die Bildprojektionsanordnung notwendig ist, um Bilder hoher Auflösung zu projizieren.
In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist eine Brückenschaltung, die zwei Arme besitzt, über eine Lieferung von Gleichspannung verbunden. Jeder Arm besitzt ein Paar von betätigbaren Schaltern mit einer Verbindungsteile dazwischen. Eine Reihenresonanzschaltung, die aus der Induktanz des Induktors und der Kapazität des Wandlers besteht, ist zwischen den Verbindungsstellen der Arme verbunden. Die Schalter werden zyklisch betätigt, d.h. geöffnet oder geschlossen, und zwar durch eine Steuervorrichtung, vorzugsweise einen Mikroprozessor, um die Gleichspannung in die Antriebsspannung umzuwandeln, welche eine Wechselstromwellenform mit einem positiven Halbzyklus und einem negativen Halbzyklus besitzt.
Die Betätigung von zumindest einem der Schalter beginnt eine Zeitdauer, während derer ein elektrischer Strom in einer Richtung durch den Induktor fließt und eine elektrische Ladung auf dem Wandler aufgebaut wird. Wenn die Zeitdauer endet, wird zumindest ein anderer der Schalter betätigt, um zu bewirken, dass elektrischer Strom in einer entgegengesetzten Richtung durch den Induktor fließt und fortfährt die elektrische Ladung auf dem Wandler aufzubauen.
Anders ausgedrückt wird der elektrische Resonanzzyklus periodisch unterbrochen und eine elektrische Ladung wird während des elektrischen Resonanzzyklus auf dem Kondensator gespeichert. Diese Maßnahme verringert die Antriebsfrequenz bis sie mit der mechanischen Resonanzfrequenz übereinstimmt oder genauer gesagt bis die Grundfrequenz der Antriebsfrequenz mit der mechanischen Resonanzfrequenz übereinstimmt.
Auf diese Weise stimmt die Wellenlänge des positiven Halbzyklus der Antriebsfrequenz eng mit der Wellenlänge des positiven Halbzyklus der mechanischen Resonanzfrequenz überein, aber unterscheidet sich von der Wellenlänge des positiven Halbzyklus der elektrischen Resonanzfrequenz um die Zeitdauer. Das gleiche gilt für den negativen Halbzyklus der Antriebsfrequenz. Algebraisch ausgedrückt gilt folglich: (1/FE) + 2td = (1/FM) = (1/FD)wobei F_E die elektrische Resonanzfrequenz ist,
wobei F_M die mechanische Resonanzfrequenz ist,
wobei F_D die Antriebsfrequenz ist, und
wobei t_D die Zeitdauer ist, d.h. der Parameter der angepasst werden muss, um eine Übereinstimmung zwischen der Antriebsfrequenz und der mechanischen Resonanzfrequenz zu erreichen.
Um die mechanische Resonanzfrequenz zu bestimmen und folglich den Anfangswert der Zeitdauer, wird eine Rückkopplungsschaltung verwendet, um die Oszillationsbewegung des Spiegels zu überwachen und um ein Rückkopplungssignal zu erzeugen. Beispielsweise kann ein Magnet zur gemeinsamen Bewegung auf dem Spiegel angebracht sein, und eine benachbarte elektromagnetische Spule interagiert magnetisch mit dem permanenten Magnetfeld des Magneten, um das Rückkopplungssignal zu erzeugen, das eine Anzeige für die Position des Spiegels bildet. Das Rückkopplungssignal wird verarbeitet, um seine Größe und seine Phase zu erhalten. Wenn die Größe bei einem Maximum ist, und wenn die Phase null ist (wodurch eine Änderung der Richtung angezeigt wird), wird die mechanische Resonanzfrequenz bestimmt.
Um die Zeitdauer anzupassen, überwacht der Mikroprozessor kontinuierlich die Größe und die Phase des Rückkopplungssignals und passt die Größe und die Phase dynamisch an, bis die Antriebsfrequenz mit der mechanischen Resonanzfrequenz übereinstimmt.
1 ist eine perspektivische Ansicht eines mobilen bzw. handgehaltenen Instruments, das ein Bild bei einer Arbeitsdistanz von diesem projiziert;
2 ist eine vergrößerte, perspektivische, Überkopfansicht einer Bildprojektionsanordnung, die diese Erfindung zur Installation in dem Instrument der 1 nutzt;
3 ist eine Draufsicht der Anordnung der 2;
4 ist eine perspektivische Vorderansicht eines Trägheitsantriebs zur Verwendung in der Anordnung der 2;
5 ist eine perspektivische Rückansicht des Trägheitsantriebs der 4;
6 ist eine perspektivische Ansicht einer praktischen Implementierung der Anordnung der 2;
7 ist eine Elektroschemablockdiagramm, das den Betrieb der Anordnung der 2 darstellt;
8 ist ein schematisches Diagramm einer Antriebsschaltung für den Trägheitsantrieb der 4-5;
9 ist eine praktische Implementierung der Antriebsschaltung der 8;
10 ist eine Reihe von Wellenformen, um den Betrieb der Antriebsschaltung der 8 zu erklären; und
11 ist ein schematisches Diagramm einer Steuerschaltung zur Steuerung des Betriebs der Antriebsschaltung der 8.
Das Bezugszeichen 10 in 1 bezeichnet im Allgemeinen ein handgehaltenes Instrument, beispielsweise einen PDA, in dem eine leichtgewichtige, kompakte Bildprojektionsanordnung 20, wie in 2 gezeigt, angebracht und betriebsbereit ist, um ein zweidimensionales Farbbild mit einer variablen Distanz von dem In strument zu projizieren. Als Beispiel ist ein Bild 18 innerhalb eines Arbeitsbereichs von Entfernungen relativ zu dem Instrument 10 gelegen.
Wie in 1 gezeigt, erstreckt sich das Bild 18 über einen optischen, horizontalen Scanwinkel A, der sich entlang der horizontalen Richtung erstreckt, und über einen optischen vertikalen Scanwinkel B, der sich entlang der vertikalen Richtung des Bilds erstreckt. Wie unten beschrieben, besteht das Bild aus beleuchteten und unbeleuchteten Pixeln auf einem Rastermuster von Scanlinien, über die ein Scanner in der Anordnung 20 hinwegstreicht.
Die Parallelepided-Form des Instruments 10 stellt nur einen Formfaktor eines Gehäuses dar, in welchem die Anordnung 20 implementiert sein kann. Das Instrument kann als ein Füller bzw. Stift, ein Mobiltelefon, eine Muschelschale oder eine Armbanduhr geformt sein, wie beispielsweise in U.S. Patent Nr. 6,832,724 gezeigt.
In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel misst die Anordnung 20 weniger als ungefähr 30 Kubikzentimeter im Volumen. Diese kompakte Miniaturgröße ermöglicht es, dass die Anordnung 20 in den Gehäusen vieler unterschiedlicher Formen, groß oder klein, tragbar oder stationär, einschließlich einigen angebracht wird, die eine On-board-Anzeige 12, eine Tastatur 14 und ein Fenster 16 umfassen, durch welches das Bild projiziert wird.
Bezug nehmend auf die 2 und 3 umfasst die Anordnung 20 einen Halbleiterlaser 22, der bei Erregung einen hellen, roten Laserstrahl von ungefähr 635-655 Nanometern emittiert. Die Linse 24 ist eine biasphärisch konvexe Linse mit einer positiven Brennweite und die betriebsbereit ist, um nahezu die gesamte Energie in dem roten Strahl zu sammeln und einen beugungsbegrenzten Strahl zu erzeugen. Die Linse 26 ist eine konkave Linse mit einer negativen Brennweite. Die Linsen 24, 26 werden durch nicht dargestellte, entsprechende Linsenhaltevorrichtungen getrennt auf einer Tragevorrichtung (aus Klarheitsgründen nicht in 2 dargestellt) innerhalb des Instruments 10 gehalten. Die Linsen 24, 26 formen das Profil des roten Strahls über die Arbeitsentfernung hinweg.
Ein weiterer Halbleiterlaser 28 ist auf der Tragevorrichtung angebracht und emittiert bei Erregung einen beugungsbegrenzten blauen Laserstrahl von ungefähr 475-505 Nanometern. Eine weitere biasphärisch konvexe Linse 30 und eine konkave Linse 32 werden eingesetzt, um das Profil des blauen Strahls in einer zu den Linsen 24, 26 analogen Art und Weise zu formen.
Ein Grünlaserstrahl mit einer Wellenlänge in der Größenordnung von 530 Nanometern wird nicht durch einen Halbleiterlaser erzeugt, sondern stattdessen durch ein grünes Modul 34 mit einer gepumpten YAG-Kristalllaserdiode im Infrarotbereich, deren Ausgabestrahl 1060 Nanometer beträgt. Ein nicht-linearer Frequenzdopplungskristall ist in dem Infrarotlaserhohlraum zwischen den beiden Laserspiegeln enthalten. Da die Infrarotlaserleistung innerhalb des Hohlraums viel größer als die Leistung die außerhalb des Hohlraums gekoppelt ist, erzeugt der Frequenzdoppler effizienter das Doppelfrequenzgrünlicht innerhalb des Hohlraums. Der Ausgabespiegel des Lasers reflektiert die 1060 nm Infrarotstrahlung und ist durchlässig gegenüber dem gedoppelten 530 nm Grünlaserstrahl. Da der korrekte Betrieb des Festkörperlasers und des Frequenzdopplers eine präzise Zeitsteuerung erfordern, wird eine Halbleitervorrichtung verwendet, die sich auf den Peltier-Effekt stützt, um die Temperatur des Grünlasermoduls zu steuern. Die thermoelektrische Kühlvorrichtung kann die Vorrichtung entweder erwärmen oder abkühlen, und zwar abhängig von der Polarität des angelegten Stroms. Ein Thermistor ist Teil des Grünlasermoduls, um seine Temperatur zu überwachen. Die Ausgabe von dem Thermistor wird in die Steuervorrichtung eingespeist, welche den Steuerstrom an die thermo-elektrische Kühlvorrichtung demgemäß anpasst.
Wie unten beschrieben, werden die Laser im Betrieb mit Frequenzen in der Größenordnung von 100 MHz pulsiert. Die roten und blauen Halbleiterlaser 22, 28 können mit derart hohen Frequenzen pulsiert werden, die gegenwärtig verfügbaren grünen Festkörperlaser können dies jedoch nicht. Als eine Folge davon wird der grüne Laserstrahl, der aus dem grünen Modul 34 austritt, mit einem akustooptischen Modulator (AOM) 36 pulsiert, der eine akustische, stehende Welle in nerhalb eines Kristalls zur Beugung des grünen Strahls erzeugt. Der AOM 36 erzeugt jedoch einen nicht beugenden Strahl 38 nullter Ordnung und einen pulsierten, gebeugten Strahl 40 erster Ordnung. Die Strahlen 38, 40 divergieren voneinander und um sie zu trennen, um den unerwünschten Strahl 38 nullter Ordnung zu beseitigen, werden die Strahlen 38, 40 entlang eines langen, gefalteten Pfads mit einem Faltspiegel 42 geführt. Alternativ kann der AOM entweder außerhalb oder innerhalb des grünen Lasermoduls verwendet werden, um den grünen Laserstrahl zu pulsieren. Andere mögliche Wege, den grünen Laserstrahl zu modulieren, umfassen die Elektroabsorptionsmodulation oder den Mach-Zender-Interferometer. Der AOM ist schematisch in 2 gezeigt.
Die Strahlen 38, 40 werden durch die positiven und negativen Linsen 44, 46 geführt. Es wird jedoch zugelassen, dass nur der gebeugte grüne Strahl 40 wird auf den Faltspiegel 48 auftrifft und von diesem reflektiert wird. Der nicht gebeugte Strahl 38 wird durch einen Absorber 50, der vorzugsweise auf dem Spiegel 48 angebracht ist, absorbiert.
Die Anordnung umfasst ein Paar von dichroitischen Filtern 52, 54, die angeordnet sind, um die grünen, blauen und roten Strahlen so kollinear wie möglich zu machen, bevor sie eine Scananordnung 60 erreichen. Der Filter 52 ermöglicht es, dass der grüne Strahl 40 durch diesen passiert, aber der blaue Strahl 56 von dem blauen Laser 28 durch den Interferenzeffekt reflektiert wird. Der Filter 54 ermöglicht es, dass die grünen und blauen Strahlen 40, 56 durch diesen passieren, aber der rote Strahl 58 von dem roten Laser 22 durch den Interferenzeffekt reflektiert wird.
Die nahezu kollinearen Strahlen 40, 56, 58 werden zu einem stationären Aufprallspiegel 62 geleitet und von diesem reflektiert. Die Scananordnung 60 umfasst einen ersten Scanspiegel 64, der durch einen Trägheitsantrieb 66 (isoliert in 4-5 gezeigt) mit einer ersten Scanrate oszillierbar ist, um die von dem Aufprallspiegel 62 reflektierten Laserstrahlen über den ersten horizontalen Scanwinkel A hinwegzustreichen, und ein zweiter Scanspiegel 68 ist durch einen elektromagnetischen Antrieb 70 mit einer zweiten Scanrate oszillierbar, um die Laserstrahlen, die von dem ersten Scanspiegel 64 reflektiert werden über den zweiten vertikalen Scanwinkel B hinwegzustreichen. In einer abweichenden Konstruktion können die Scanspiegel 64, 68 durch einen einzelnen Zweiachsenspiegel ersetzt werden.
Der Trägheitsantrieb 66 ist eine Hochgeschwindigkeitskomponente mit geringem elektrischen Leistungsverbrauch. Details des Trägheitsantriebs können in der U.S. Patentanmeldung Serien-Nr. 9/975,888 , eingereicht am 27. Oktober 2004 und U.S. Patentanmeldung Serien-Nr. 10/387,878 , eingereicht am 13. März 2003, und die der gleichen Anmelderin wie die vorliegende Anmeldung zugewiesen sind und hierin durch Bezugnahme enthalten sind, gefunden werden. Die Verwendung des Trägheitsantriebs verringert den Leistungsverbrauch der Scananordnung 60 auf weniger als ein Watt und in dem Fall des Projizieren eines Farbbilds, wie unten beschrieben, auf weniger als zehn Watt.
Der Antrieb 66 umfasst einen beweglichen Rahmen 74 zum Tragen des Scanspiegels 64 mittels einer Anlenkung, die ein Paar von kollinearen Anlenkungsteilen 76, 78 umfasst, die sich einlang einer Anlenkungsachse 65 erstrecken und zwischen gegenüberliegenden Bereichen des Scanspiegels 64 und gegenüberliegenden Bereichen des Rahmens verbunden sind. Der Rahmen 74 muss den Scanspiegel 64 nicht umgeben, wie es gezeigt ist.
Der Rahmen, die Anlenkungsteile und der Scanspiegel werden aus einem einstückigen, im Allgemeinen planaren Siliciumsubstrat gebildet, welches ungefähr 150μ dick ist. Das Silicium wird geätzt, um omegaförmige Schlitze zu bilden, die obere parallele Schlitzbereiche, untere parallele Schlitzbereiche und U-förmige, mittlere Schlitzbereiche besitzen. Der Scanspiegel 64 besitzt vorzugsweise eine ovale Form und kann sich frei in den Schlitzbereichen bewegen. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel belaufen sich die Abmessungen entlang der Achsen des ovalförmigen Scanspiegels auf 749μ × 1600μ. Jeder Anlenkungsteil misst 27μ in der Breite und 1130μ in der Länge. Der Rahmen besitzt eine rechteckige Form und misst 3100μ in der Breite und 4600μ in der Länge.
Der Trägheitsantrieb ist auf einer im Allgemeinen planaren gedruckten Leiterplatte 80 angebracht und ist betriebsbereit, um direkt den Rahmen zu bewegen und durch Trägheit indirekt den Scanspiegel 64 um die Anlenkungsachse zu oszillieren. Ein Ausführungsbeispiel des Trägheitsantriebs umfasst ein Paar von piezoelektrischen Transducern bzw. Wandlern 82, 84, die sich senkrecht auf der Platte 80 und in Kontakt mit beabstandeten Teilen des Rahmens 74 auf beiden Seiten des Anlenkungsteils 76 erstrecken. Ein Klebstoff kann verwendet werden, um einen dauerhaften Kontakt zwischen einem Ende jedes Wandlers und jedem Rahmenteil sicherzustellen. Das gegenüberliegende Ende jedes Wandlers ragt aus der Rückseite der Platte 80 hervor und ist elektrisch durch die Drähte 86, 88 mit einem periodischen Antriebssignal verbunden, das durch eine Antriebsschaltung erzeugt wird, wie unten in Verbindung mit den 8-11 beschrieben, was die vorliegende Erfindung darstellt.
Im Gebrauch legt die Antriebsschaltung ein periodisches Antriebsspannungssignal an jeden Wandler an und veranlasst den jeweiligen Wandler sich abwechselnd in der Länge auszudehnen und zusammenzuziehen. Wenn sich der Wandler 82 ausdehnt, zieht sich der Wandler 84 zusammen und umgekehrt, wodurch die beabstandeten Rahmenteile simultan geschoben und gezogen werden und bewirkt wird, dass sich der Rahmen um die Anlenkungsachse verdreht. Das Antriebsspannungssignal besitzt eine Antriebsfrequenz, die der mechanischen Resonanzfrequenz des Scanspiegels entspricht. Der Scanspiegel wird von seiner ursprünglichen Ruheposition bewegt, bis er ebenfalls um die Anlenkungsachse mit der mechanischen Resonanzfrequenz oszilliert. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind der Rahmen und der Scanspiegel ungefähr 150μ dick und der Scanspiegel besitzt einen hohen Q-Faktor. Eine Bewegung in der Größenordnung von 1μ durch jeden Wandler kann die Oszillation des Scanspiegels mit Scanraten von mehr als 20 kHz bewirken und kann verursachen, dass ein Lichtstrahl, der auf den Scanspiegel auftritt, über einen Bogen von 30° hinwegstreicht.
Ein weiteres Paar von piezoelektrischen Wandlern 90, 92 erstreckt sich senkrecht zu der Platte 80 und in dauerhaften Kontakt mit beabstandeten Teilen des Rahmens 74 an beiden Seiten des Anlenkungsteils 78. Die Wandler 90, 92 dienen als Rückkopplungsvorrichtungen, um die Oszillationsbewegung des Rahmens und folglich des Scanspiegels 64 zu überwachen und um elektrische Rückkopplungssignale zu erzeugen und entlang der Drähte 94, 96 zu einer Rückkopplungssteuerschaltung zu leiten, die unten in Verbindung mit 11 beschrieben ist.
Alternativ können anstelle der Verwendung piezoelektrischer Wandler 90, 92 zur Rückkopplung, eine magnetische Rückkopplung verwendet werden, wo ein Permanentmagnet auf der Rückseite des Hochgeschwindigkeitsspiegels angebracht ist und eine externe elektromagnetische Spule verwendet wird, um das sich verändernde Magnetfeld, das durch den oszillierenden Magneten erzeugt wird, aufzunehmen.
Obwohl Licht von der Außenoberfläche des Scanspiegels reflektiert werden kann, ist es wünschenswert die Oberfläche des Spiegels 64 mit einer spiegelnden Beschichtung, die aus Gold, Silber, Aluminium oder einer speziell ausgelegten, hochreflektiven, dielektrischen Beschichtung besteht, zu beschichten.
Der elektromagnetische Antrieb 70, umfasst einen Permanentmagneten der gemeinsam auf und hinter dem zweiten Scanspiegel 68 angebracht ist, und eine elektromagnetische Spule 72, die betriebsbereit ist, um ein periodisches Magnetfeld ansprechend auf den Empfang eines periodischen Antriebssignals zu erzeugen. Die Spule 72 ist benachbart zu dem Magnet, so dass das periodische Feld magnetisch mit dem permanenten Feld des Magneten interagiert und bewirkt, dass der Magnet und seinerseits der zweite Scanspiegel 68 oszillieren.
Der Trägheitsantrieb 66 oszilliert den Scanspiegel 64 mit einer hohen Geschwindigkeit mit einer Scanrate, die vorzugsweise größer als 5 kHz ist und insbesondere in der Größenordnung von 18 kHz oder mehr liegt. Diese hohe Scanrate liegt bei einer unhörbaren Frequenz, wodurch Geräusche und Vibration minimiert werden. Der elektromagnetische Antrieb 70 oszilliert den Scanspiegel 68 mit einer langsameren Scanrate in der Größenordnung von 40 Hz, was ausreichend schnell ist, um es zu ermöglichen, dass das Bild auf einer menschlichen Augennetzhaut ohne übermäßiges Flimmern bleibt.
Der schnellere Spiegel 64 streicht über eine horizontale Scanlinie hinweg, und der langsamere Spiegel 68 streicht über die horizontale Scanlinie vertikal hinweg, wodurch ein Rastermuster erzeugt wird, welches ein Netz oder eine Sequenz annähernd paralleler Scanlinien ist, aus denen das Bild konstruiert wird. Jede Scanlinie besitzt eine Anzahl von Pixeln. Die Bildauflösung besitzt vorzugsweise die XGA-Qualität von 1024×768 Pixeln. Über einen begrenzten Arbeitsbereich können wir einen hochauflösenden Fernsehstandard, bezeichnet als 720p, von 1270×720 Pixeln anzeigen. In einigen Anwendungen ist eine einhalbfache VGA-Qualität von 320×480 Pixeln oder eine einviertelfache VGA-Qualität von 320×240 Pixeln ausreichend. Minimal ist eine Auflösung von 160×160 Pixeln erwünscht.
Die Rollen der Spiegel 64, 68 könnten umgekehrt werden, so dass der Spiegel 68 schneller und der Spiegel 64 langsamer ist. Der Spiegel 64 könnte ebenfalls ausgelegt sein, um über die vertikale Scanlinie hinwegzustreichen, in welchem Fall der Spiegel 68 über die horizontale Scanlinie hinwegstreichen würde. Der Trägheitsantrieb kann ebenfalls verwendet werden, um den Spiegel 68 anzutreiben. In der Tat könnte jeder der beiden Spiegel durch einen elektromechanischen, elektrischen, mechanischen, elektrostatischen, magnetischen oder elektromagnetischen Antrieb angetrieben werden.
Der langsame Spiegel wird in einem Hinwegstreichmodus mit konstanter Geschwindigkeit betrieben, in welcher Zeit das Bild angezeigt wird. Während der Rückkehr des Spiegels wird der Spiegel zurück in die Ausgangsposition mit seiner natürlichen Frequenz, die signifikant höher ist, geschwenkt. Während der Rückkehrstrecke des Spiegels können die Laser abgeschaltet werden, um den Leistungsverbrauch der Vorrichtung zu verringern.
6 ist eine praktische Implementierung der Anordnung 20 in der gleichen Perspektive wie der der 2. Die zuvor erwähnten Komponenten werden auf einer Tragevorrichtung angebracht, die eine obere Abdeckung 100 und eine Trageplatte 102 umfasst. Haltevorrichtungen 104, 106, 108, 110, 112 halten jeweils die Faltspiegel 42, 48, die Filter 52, 54 und den Abprallspiegel 62 in gegenseitiger Ausrichtung. Jede Haltevorrichtung besitzt eine Vielzahl von Positionierungsschlitzen zur Aufnahme von Positionierungspfosten, die stationär auf der Tragevorrichtung angebracht sind. Auf diese Weise sind die Spiegel und Filter in korrekter Weise positioniert. Wie gezeigt, gibt es drei Pfosten, wodurch zwei Winkelanpassungen und eine seitliche bzw. laterale Anpassung ermöglicht werden. Jede Haltevorrichtung kann in ihrer Endposition verklebt werden.
Das Bild wird durch selektive Beleuchtung der Pixel in einer oder mehreren der Scanlinien konstruiert. Wie unten in größerem Detail mit Bezugnahme auf 7 beschrieben, bewirkt eine Steuervorrichtung 114, dass ausgewählte Pixel in dem Rastermuster beleuchtet werden, und durch die drei Laserstrahlen sichtbar ge macht werden. Beispielsweise leiten rote, blaue und grüne Leistungssteuervorrichtungen 116, 118, 120 jeweils elektrische Ströme zu den roten, blauen und grünen Lasern 22, 28, 34, um letztere zu erregen, um die jeweiligen Lichtstrahlen bei jedem ausgewählten Pixel zu emittieren und leiten keine elektrischen Ströme zu den roten, blauen und grünen Lasern, um letztere zu enterregen, um die anderen, nicht ausgewählten Pixel nicht zu beleuchten. Das entstehende Muster von beleuchteten und nicht beleuchteten Pixeln weist das Bild auf, welches jegliche Anzeige einer menschen- oder maschinenlesbaren Information oder Graphik sein kann.
Bezug nehmend auf 1 ist das Rastermuster in einer vergrößerten Ansicht gezeigt. Beginnend bei einem Endpunkt werden die Laserstrahlen durch den Trägheitsantrieb entlang der horizontalen Richtung mit der horizontalen Scanrate zu einem gegenüberliegenden Endpunkt hinweggestrichen, um eine Scanlinie zu bilden. Daraufhin werden die Laserstrahlen durch den elektromagnetischen Antrieb 70 entlang der vertikalen Richtung mit der vertikalen Scanrate zu einem anderen Endpunkt hinweggestrichen, um eine zweite Scanlinie zu bilden. Die Bildung aufeinander folgender Scanlinien schreitet in der gleichen Art und Weise voran.
Das Bild wird in dem Rastermuster durch Erregen oder An- und Aus-Pulsieren des Lasers zu ausgewählten Zeiten unter Steuerung des Mikroprozessors 114 oder der Steuerschaltung durch Betrieb der Leistungssteuervorrichtungen 116, 118, 120 erzeugt. Die Laser erzeugen sichtbares Licht und werden nur angeschaltet, wenn ein Pixel in dem erwünschten Bild gesehen werden soll. Die Farbe jedes Pixels wird durch eine oder mehrere der Farben der Strahlen bestimmt. Jegliche Farbe im Spektrum des sichtbaren Lichts kann durch selektive Überlagerung von einem oder mehreren der roten, blauen und grünen Laser gebildet werden. Das Rastermuster ist ein Netz, das aus mehreren Pixeln auf einer Linie und mehreren Linien besteht. Das Bild ist eine Bitmap ausgewählter Pixel. Jeder Buchstabe oder jede Zahl, jegliche graphische Darstellung oder Logo, und sogar maschinenlesbare Strichcodesymbole können als ein Bitmapbild abgebildet werden.
Wie in 7 gezeigt, wird ein eingehendes Videosignal mit vertikalen und horizontalen Synchronisationsdaten, ebenso wie Pixel- und Clock- bzw. Taktungsdaten, zu den roten, blauen und grünen Puffern 122, 124, 126 unter der Steuerung des Mikroprozessors 114 gesendet. Die Speicherung eines vollständigen VGA-Rahmens erfordert viele Kilobytes und es wäre wünschenswert, ausreichend Speicher in den Puffern für zwei vollständige Rahmen zu besitzen, um zu ermöglichen, dass ein Rahmen geschrieben wird, während ein weiterer Rahmen bearbeitet und projiziert wird. Die gepufferten Daten werden an einen Formstierer 128 unter der Steuerung eines Geschwindigkeits-Profilers 130 und zu roten, blauen und grünen Nachschlagtabellen (LUTs = Look Up Tables) 132, 134, 136 gesendet, um inhärente, interne Verzerrungen zu korrigieren, die durch das Scannen verursacht werden, ebenso wie geometrische Verzerrungen, die durch den Winkel der Anzeige des projizierten Bilds verursacht werden. Die resultierenden roten, blauen und grünen digitalen Signale werden in rote, blaue und grüne analoge Signale durch Digital-zu-Analog-Wandler (DACs = Digital to Analog Converters) 138, 140, 142 umgewandelt. Die roten und blauen analogen Signale werden den roten und blauen Laserantrieben (LDs = Laser Drivers) 144, 146 zugeführt, die ebenfalls mit den roten und blauen Leistungssteuervorrichtungen 116, 118 verbunden sind. Das grüne analoge Signal wird dem AOM-Hochfrequenzantrieb (RF = Radio Frequency) 150 und seinerseits dem grünen Laser 34 zugeführt, der ebenfalls mit einem grünen Laserantrieb 148 und mit der grünen Leistungssteuervorrichtung 120 verbunden ist.
Die Rückkopplungssteuerungen sind ebenfalls in 7 gezeigt, einschließlich der roten, blauen und grünen Photodiodenverstärker 152, 154, 156 verbunden mit roten, blauen und grünen Analog-zu-Digital-(ND) Wandlern 158, 160, 162 und ihrerseits mit dem Mikroprozessor 114. Die Wärme wird durch einen Thermistorverstärker 164, verbunden mit einem A/D-Wandler 166 und dieser seinerseits mit dem Mikroprozessor überwacht.
Die Scanspiegel 64, 68 werden durch die Antriebsvorrichtungen 168, 170 angetrieben, die mit analogen Antriebssignale von den DACs 172, 174 versorgt werden, die ihrerseits mit dem Mikroprozessor verbunden sind. Die Rückkopplungsverstärker 176, 178 detektieren die Position der Scanspiegel 64, 68 und sind mit den Rückkopplungs-A/Ds 180, 182 und diese ihrerseits mit dem Mikroprozessor verbunden.
Eine Leistungsmanagementschaltung 184 ist betriebsbereit, um die Leistung zu minimieren, während schnelle Einschaltzeiten ermöglicht werden, vorzugsweise indem der grüne Laser zu allen Zeiten angeschaltet bleibt und durch Halten des Stroms der roten und blauen Laser gerade unterhalb der Laserschwelle.
Ein Lasersicherheitsabschaltschaltung 186 ist betriebsbereit, um die Laser abzuschalten, wenn detektiert wird, dass einer der beiden Scanspiegel 64, 68 sich in einer Fehlposition befindet.
Wie oben erwähnt, wird jeder piezoelektrischer Wandler 82, 84 durch ein periodisches Antriebssignal angetrieben, welches durch eine Antriebsschaltung 200, die schematisch in 8 und in praktischer Implementierung in 9 gezeigt ist, erzeugt wird. Jeder piezoelektrische Wandler oder Kristall besitzt eine inhärente Kapazität 202. Ein Induktor 204 mit einer Induktanz 206 ist in Reihe mit der Kapazität 202 verbunden, um eine Reihenresonanzschaltung mit einer elektrischen Resonanzfrequenz (F_E) zu bilden.
Wie oben erklärt, besitzt das Antriebssignal idealerweise eine Antriebsfrequenz (F_D), die mit der mechanischen Resonanzfrequenz (F_M) des Scanspiegels 64 des Trägheitsantriebs 66, der ebenfalls als piezoelektrischer Motor bezeichnet wird, übereinstimmt. Um einen Spannungsanstieg oder eine Vervielfachung von niedrigen zu hohen Spannungen für eine größere Effizienz zu erreichen, muss die Resonanzschaltung mit der elektrischen Resonanzfrequenz angetrieben werden. Die Alterung des Induktors und des Wandlers, Toleranzvariationen von einer dieser Komponenten zur nächsten, und Umgebungstemperaturveränderungen tragen jedoch alle zu breiten Variationen, z.B. in der Größenordnung von 12% der elektrischen Resonanzfrequenz bei. Diese Variation der elektrischen Resonanzfrequenz verschlechtert die Effizienz der Antriebsschaltung und im Zusammenhang einer Bildprojektionsanordnung verschlechtert sie die Auflösung des projizierten Bilds.
Gemäß dieser Erfindung wird die Resonanzschaltung nicht mit der elektrischen Resonanzfrequenz angetrieben, sondern mit der mechanischen Resonanzfrequenz. Die elektrischen und mechanischen Resonanzfrequenzen sind entkoppelt oder nicht mit einander verbunden, und ein Parameter, der eine Differenz zwischen der elektrischen Resonanzfrequenz und der Antriebsfrequenz definiert, wird angepasst, wie unten im Detail beschrieben. Es wird zugelassen, dass die elektrische Resonanzfrequenz über ihren breiten Bereich variiert.
Wie in 8 gezeigt, ist eine Brücke über eine Niedrigspannungsgleichstromversorgung, z.B. 5 Volt Gleichstrom, und der Erde aufgebaut. Ein Arm der Brücke besitzt zwei betätigbare Schalter S1 und S2, die miteinander an einem Verbindungsstück 208 verbunden sind. Ein weiterer Arm der Brücke besitzt zwei weitere betätigbare Schalter S3 und S4, die miteinander an einem anderen Verbindungsstück 210 verbunden sind. Die Reihenresonanzschaltung ist zwischen den Verbindungsstücken 208, 210 verbunden.
Wie in 9 gezeigt, ist jeder Schalter vorzugsweise ein MOS-Feldeffekttransistor bzw. MOSFET (MosFET = Metal-Oxide-semiconductor Field-Effect-Transistor). Die Schalter S1, S3 sind vorzugsweise ein p-Kanal; die Schalter S2, S4 sind vorzugs weise ein n-Kanal. Andere Bauarten von Schaltern, wie beispielsweise bipolare Transistoren oder optisch isolierte Schalter, könnten ebenfalls verwendet werden. Die Dioden D1, D2 sind jeweils in Reihe mit den Drains bzw. Senken von S1, S3 verbunden.
In einem Ausführungsbeispiel werden S1 und S4 simultan geschlossen (während S2 und S3 geöffnet werden), um eine Gleichspannung in einem positiven Sinne über die Reihenresonanzschaltung hinweg anzulegen, und dann werden S2 und S3 simultan geschlossen (während S1 und S4 geöffnet werden), um die Gleichspannung in einem negativen Sinn über die Reihenresonanzschaltung hinweg anzulegen. Die Spannungsvervielfachung der niedrigen Gleichspannung (5 Volt) auf eine hohe Wechselspannung (50 Volt in der Spitze) in der Resonanzschaltung ist eine Funktion des Q-Werts der Resonanzschaltung. Der Q-Wert ist umgekehrt proportional zu den Widerstandsverlusten darin. Ein Q-Wert im Bereich von 10-100 ist ohne Weiteres erreichbar.
Gemäß dieser Erfindung wird die elektrische Resonanzfrequenz stets höher als die mechanische Resonanzfrequenz gewählt. Jetzt auf 10 Bezug nehmend, stellt das Bezugszeichen 212 die mechanische Resonanzwellenform dar, und das Bezugszeichen 214 stellt die elektrische Resonanzwellenform dar. Es wird erkannt werden, dass die elektrische Resonanzfrequenz F_E niedriger als die mechanische Resonanzfrequenz F_M ist. Als numerisches Beispiel beträgt F_M typischerweise ungefähr 30 kHz und liegt in einem Bereich von 29 kHz-31,5 kHz. Die Kapazität 202 beträgt typischerweise ungefähr 4 Nanofarad, und der Wert der Induktanz 206 wird gewählt, um ungefähr 1 Millihenry zu betragen, so dass F_E typischerweise ungefähr 80 kHz beträgt. Die Differenz zwischen 30 kHz und 80 kHz entspricht der oben erwähnten Frequenzentkopplung.
Das Öffnen und Schließen der Schalter S1, S2, S3, S4, wie es in der 10 dargestellt ist, erzeugt das periodische Antriebssignal (zum Antreiben des piezoelektrischen Wandlers), dessen Wellenform in 10 mit dem Bezugszeichen 216 bezeichnet ist. Das periodische Antriebssignal wird durch die Schaltung der 9 wie folgt erzeugt. Anfänglich besteht ein Nullstrom in dem Induktor 204 und eine Nullladung auf dem Kondensator 82, 84. Die Schalter S1 und S4 werden geschlossen, während die Schalter S2, S3 geöffnet werden, wodurch die Reihenresonanzschaltung über die Leistungsversorgung verbunden wird. Der Strom beginnt durch den Induktor anzusteigen, und eine elektrische Ladung beginnt sich auf dem Kondensator aufzubauen. Es wird erkannt werden, dass solange S1 und S4 geschlossen sind, die Amplitude des Antriebssignals (d.h. die Spannung auf dem Kondensator) mit einer sinusförmigen Komponente ansteigt, die eine Frequenz besitzt, die der elektrischen Resonanzfrequenz des Induktors und des Kondensators entspricht. Dies ist eine Amplitudensteuermerkmal, das je länger dieser Schalter S1 geschlossen ist, wie durch die Schattierung in 10 angezeigt, desto größer ist die Antriebssignalamplitude und umgekehrt. Zu dem Zeitpunkt an dem der Induktorstrom null entspricht, befindet sich die Spitzenladung und damit die Spitzenspannung auf dem Kondensator. Diese Spitzenspannung kann +5 Volt Gleichstrom übersteigen und würde beginnen, sich durch einen umgekehrten Stromfluss durch S1, S4, den Induktor und den Kondensator, zu entladen. Der umgekehrte Stromfluss wird jedoch durch die nun in Rückwärtsrichtung vorgespannte Diode D1 blockiert. Auf diese Weise wird die Spitzenspannung auf dem Kondensator gefangen. Wenn ein idealer Schalter für S1 verwendet werden würde, dann würde dieser zu diesem Zeitpunkt geöffnet werden, um die Spitzenspannung auf dem Kondensator zu fangen.
Nach einer Zeitdauer, die t_d entspricht (deren Bestimmung unten beschrieben ist), wird der Schalter S4 geöffnet und die Schalter S2, S3 werden simultan geschlossen. Der Schalter S1 ist bereits geöffnet. Jetzt fließt der Strom durch den Induktor in der entgegengesetzten Richtung mit einer umgekehrt sinusförmigen Komponente; die Ladung, die auf dem Kondensator gefangen war, liefert eine elektromotorische Kraft, die auf die +5 Volt Gleichstromversorgung überlagert wird, so dass die resultierenden Strom- und Spannungsamplituden größer als zuvor sind. Die effektiv größere Spannungsquelle erhöht die Strom- und Spannungspegel in der Resonanzschaltung, was zu einem Anstieg in der Ladung führt, die über den Kondensator hinweg gefangen wird, bloß jetzt im umgekehrten Potential durch die Einwirkung der Diode D2.
Nach einer weiteren Zeitdauer, die t_d entspricht, wiederholt sich der Zyklus und fährt fort, Spannung auf dem Kondensator aufzubauen, und zwar jeden Halbzyklus, bis die Resonanzschaltungsverluste plus die mechanischen Verluste die Energie ausgleichen, die während eines Schalterschlusses eingebracht wurde. Es sei bemerkt, dass die Energie, die während des Schalterschließens eingebracht wurde, abhängig von der Schalterschließzeit ist. Beispielsweise kann durch vorzeitiges Öffnen der Schalter S1 und S3 die Energie, die während eines Zyklus eingebracht wurde, verringert werden. Die resultierende Kondensatorspannung wird durch die Energiebilanz der Verluste in dem Zyklus verringert. Daher kann die Schaltersteuerung ebenfalls verwendet werden, um die Antriebssignalamplitude zu steuern. Dieses Verfahren zur Steuerung der Schalteröffnungszeiten und daher der Antriebsspannung ist in 10 durch Schattierung der Schließzeiten von S1 und S3 angezeigt. Die resultierende Kondensatorspannung-(Antriebssignal-) Wellenform 216 gleicht der mechanischen Resonanzwellenform 212, mit der Ausnahme dass ihre Grundfrequenzwellenlänge länger ist. Die Beziehung zwischen den Wellenformen der 10 kann algebraisch wie folgt ausgedrückt werden: (1/FE) + 2td = (1/FM) = (1/FD)
Auf diese Weise kann bewirkt werden, dass die Antriebsfrequenz der mechanischen Resonanzfrequenz durch Anpassen der Zeitdauer t_d entspricht. Diese Zeitdauer ist der zuvor erwähnte Parameter, der angepasst werden muss.
Die Zeitdauer t_d kann durch Messen des Ansprechens des piezoelektrischen Motors auf das Antriebssignal bestimmt werden. Diese Zeitdauer kann angepasst werden, um das Amplitudenansprechen des Motors zu maximieren, oder basierend auf dem Phasenansprechen.
Genauer gesagt, wird wie in 11 gezeigt, eine Rückkopplungssteuerschaltung 220 zum Anpassen der Zeitdauer t_d eingesetzt. Die zuvor erwähnten Rückkopplungswandler 90, 92 des piezoelektrischen Motors 66 erzeugen ein Rückkopplungssignal, das eine Anzeige für die Oszillationsbewegung des Scanspiegels 64 bildet. Das Rückkopplungssignal besitzt eine Größe, die das Winkelausmaß der Versetzung des Spiegels anzeigt, sowie eine Phase, die die Richtung des Spiegels anzeigt.
Das analoge Rückkopplungssignal wird in ein digitales Rückkopplungssignal durch einen Analog-zu-Digital-(A/D) Wandler 222 umgewandelt. Dieses digitale Signal wird durch eine Steuervorrichtung abgetastet, vorzugsweise einen Mikroprozessor 224, der eine diskrete Fourier-Transformations-(DFT) Berechnung 226 ausführt, die das gesampelte bzw. abgetastete Signal in der Zeitdomäne zu einem abgetasteten Signal in dem Frequenzdomäne transformiert. In der Frequenzdomäne sind die Größe und Phase der Oszillationsbewegung des Spiegels evident. Da die mechanischen Oszillationen des Spiegels als eine Resonanzvorrichtung mit einem relativ hohen Q modelliert werden können, variieren das Größenansprechen und das Phasenansprechen stark mit der Antriebsreizfrequenz. Auf diese Weise kann das Ansprechen des piezoelektrischen Motors auf das Antriebssignal überwacht werden. Wenn die Größe ein Maximalwert ist, und wenn die Phasenverschiebung null ist, zeigt dies an, dass sich der Spiegel bei der mechanischen Resonanz befindet. Wenn die überwachte Größe und die Phase von diesen Bedingungen abweichen, dann wird der Mikroprozessor den Wert von t_d verändern, bis die mechanische Resonanzbedingung erreicht ist.
Der Mikroprozessor 224 besitzt vier Steuerausgänge 228, die jeweils mit den Steuereingängen der Schalter S1, S2, S3, S4 verbunden sind, um deren Öffnen und Schließen zu steuern.
Was als neu beansprucht und durch das Patent geschützt werden soll, ist in den beigefügten Ansprüchen dargelegt.
ZUSAMMENFASSUNG
Ein piezoelektrischer Wandler wird angetrieben, um einen Spiegel mit einer mechanischen Resonanzfrequenz mit hoher Präzision anzutreiben, und zwar trotz Frequenzvariationen, die durch die Temperatur, Toleranzen und die Alterung der Komponenten eingeführt werden.

Claims

Eine Anordnung zum elektrischen Antreiben eines piezoelektrischen Wandlers, um einen Spiegel mit einer mechanischen Resonanzfrequenz zu oszillieren, weist Folgendes auf: a) einen Induktor, der elektrisch mit dem Wandler verbunden ist, um eine Resonanzschaltung mit einer elektrischen Resonanzfrequenz zu bilden, die größer als die mechanische Resonanzfrequenz ist, und zwar über Variationen in der Temperatur, der Alterung und der Toleranzen des Wandlers und des Induktors hinweg; b) Mittel zum Antreiben der Resonanzschaltung mit einem elektrischen Antriebssignal mit einer Antriebsfrequenz, die sich von der elektrischen Resonanzfrequenz um einen Parameter unterscheidet; und c) Mittel zum Anpassen des Parameters, um zu bewirken, dass die Antriebsfrequenz der mechanischen Resonanzfrequenz entspricht, um Variationen in der elektrischen Resonanzfrequenz zu kompensieren.
Anordnung gemäß Anspruch 1, wobei der Wandler eine inhärente Kapazität besitzt, und wobei der Induktor eine Induktanz besitzt und elektrisch in Reihe mit dem Wandler verbunden ist, um eine Reihenresonanzschaltung zu bilden.
Anordnung gemäß Anspruch 1, wobei die elektrische Resonanzfrequenz mehr als zweimal größer als die mechanische Resonanzfrequenz ist.
Anordnung gemäß Anspruch 2, wobei das Antriebsmittel eine Brückenschaltung mit zwei Armen umfasst, die über eine Lieferung von Gleichspannung verbunden sind, wobei jeder Arm ein Paar von betätigbaren Schaltern und ein Verbindungsstück dazwischen besitzt; und wobei die Reihenresonanzschaltung zwischen jedem Verbindungsstück der Arme verbunden ist.
Anordnung gemäß Anspruch 4, wobei jeder Schalter ein Transistor ist, und wobei die Brückenschaltung eine Diode umfasst, die zwischen einem der Schalter jedes Arms und dem Verbindungsstück des entsprechenden Arms verbunden ist.
Anordnung gemäß Anspruch 4, wobei das Antriebsmittel eine Steuervorrichtung umfasst, um zyklisch die Betätigung der Schalter zu steuern, um die Gleichspannung in die Antriebsspannung umzuwandeln, die eine Wechselstromwellenform mit Zyklen besitzt.
Anordnung gemäß Anspruch 6, wobei die Steuervorrichtung zumindest einen der Schalter in jedem Arm schließt und zumindest einen weiteren der Schalter in jedem Arm für eine Schaltzeitdauer öffnet, die den anzupassenden Parameter bestimmt.
Anordnung gemäß Anspruch 7, wobei die Kapazität während jedes Halbzyklus der Antriebsspannung geladen wird.
Anordnung gemäß Anspruch 6, wobei die Steuervorrichtung zumindest einen der Schalter für ein Zeitintervall schließt, das eine Amplitude des Antriebssignals bestimmt.
Ein Verfahren zum elektrischen Antreiben eines piezoelektrischen Wandlers, um mechanisch einen Spiegel mit einer mechanischen Resonanzfrequenz zu oszillieren, das die folgenden Schritte aufweist: a) elektrisches Verbinden eines Induktors mit dem Wandler, um eine Resonanzschaltung mit einer elektrischen Resonanzfrequenz zu bilden, die größer als die mechanische Resonanzfrequenz ist, und zwar über Variationen in der Temperatur, der Alterung und der Toleranzen des Wandlers und des Induktors hinweg; b) Antreiben der Resonanzschaltung mit einem elektrischen Antriebssignal mit einer Antriebsfrequenz, die von der elektrischen Resonanzfrequenz um einen Parameter abweicht; und c) Anpassen des Parameters, um die Antriebsfrequenz in Übereinstimmung mit der mechanischen Resonanzfrequenz zu bringen, um die Variationen in der elektrischen Resonanzfrequenz zu kompensieren.
Verfahren gemäß Anspruch 10, wobei der Wandler eine inhärente Kapazität besitzt und wobei der Induktor eine Induktanz besitzt und elektrisch in Reihe mit dem Wandler verbunden ist, um eine Reihenresonanzschaltung zu bilden.
Verfahren gemäß Anspruch 10, wobei die elektrische Resonanzfrequenz mehr als zwei Mal größer als die mechanische Resonanzfrequenz ist.
Verfahren gemäß Anspruch 11, wobei der Antriebsschritt das Bilden einer Brückenschaltung mit zwei Armen, die über eine Lieferung einer Gleichspannung verbunden sind umfasst, wobei jeder Arm ein Paar von betätigbaren Schaltern und ein Verbindungsstück dazwischen besitzt, und das Verbinden der Reihenresonanzschaltung zwischen jedem der Verbindungsstücke der Arme.
Verfahren gemäß Anspruch 13, wobei jeder Schalter ein Transistor ist, und wobei die Brückenschaltung eine Diode umfasst, die zwischen einem der Schalter jedes Armes und dem Verbindungsstück des entsprechenden Arms verbunden ist.
Verfahren gemäß Anspruch 13, wobei der Antriebsschritt eine Steuervorrichtung zur zyklischen Steuerbetätigung der Schalter aufweist, um die Gleichspannung in die Antriebsspannung mit einer Wechselstromwellenform mit Zyklen umzuwandeln.
Verfahren gemäß Anspruch 15, wobei der Steuerungsschritt zumindest einen der Schalter in jedem Arm schließt und zumindest einen weiteren der Schalter in jedem Arm öffnet, und zwar für eine Schaltzeitdauer, die den anzupassenden Parameter bestimmt.
Verfahren gemäß Anspruch 16, wobei die Kapazität während jedes Halbzyklus der Antriebsspannung geladen wird.
Verfahren gemäß Anspruch 15, wobei der Steuerungsschritt das Steuern einer Amplitude der Antriebsspannung durch Steuern eines Zeitintervalls umfasst, während dessen einer der Schalter geschlossen ist.